巨野煤田采煤塌陷區(qū)動態(tài)治理可行性探討

馬龍

（山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東兗州，272100）

1 引言

巨野煤田地處魯西南黃泛平原地區(qū)，隨著巨野煤田的不斷開發(fā)，所引發(fā)的礦山環(huán)境問題日益突出。特別是在巨厚松散層下的煤炭資源開采，所造成的地面塌陷越來越嚴重，其塌陷深度越來越深，塌陷造成的季節(jié)性積水區(qū)和常年積水區(qū)范圍越來越廣，造成了大面積的土地和耕地資源的消失和破壞。基于巨厚的第四系和新近系松散層下采煤造成的地面塌陷，具有塌陷深度大，面積廣，易積水，難穩(wěn)沉等諸多因素，為實現(xiàn)礦山開采與恢復治理同步進行，為避免土地資源的閑置和浪費，為實現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益的最大化，因此根據(jù)治理區(qū)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀特征，及時開展區(qū)內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境恢復治理，特別是采煤塌陷的動態(tài)治理是十分必要的。礦山地質(zhì)環(huán)境恢復動態(tài)治理設計和實施，將有效推進區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境保護和生態(tài)文明建設。

2 巨野煤田概況

巨野煤田位于山東省菏澤市境內(nèi)，從北往南跨越鄆城、菏澤、巨野和成武四個縣級行政區(qū)，含煤面積約960 k m2，劃分為鄆城、郭屯、趙樓、龍固、萬福和彭莊6個井田（圖1）［1]，含煤地層為石炭—二疊紀月門溝群太原組和山西組，平均厚度約237 m，共含煤26層，可采及局部可采煤層6～8層；其中賦存于山西組中的3煤層為現(xiàn)階段煤田開發(fā)規(guī)劃的主采煤層，北部地區(qū)平均厚度5.96 m，南部地區(qū)平均厚度7.58 m，最大厚度11.36 m；埋藏深度500～1 200 m，最大埋深1 400 m；煤種為國內(nèi)緊缺的氣煤、肥煤和1／3焦煤，煤質(zhì)優(yōu)良，煤層分布穩(wěn)定，構(gòu)造發(fā)育程度中等，開采條件較好。

3 地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀及塌陷預測［1]

3.1 地形地貌及土地資源

巨野煤田位于黃河沖洪積平原的魯西區(qū)段，京杭運河西側(cè)；地形平坦，地面標高37～46 m，地勢西南高、東北低，地面坡降在1／5 000—1／8 000之間。區(qū)內(nèi)發(fā)育有緩平坡地、淺平洼地、河糟洼地、河灘高地等微地貌類型。

圖1 巨野煤田井田劃分圖Fig.1 Division of the mining area

區(qū)內(nèi)地勢低平，地域廣闊，農(nóng)業(yè)發(fā)達，土地墾殖率高，農(nóng)用耕地是土地使用的主要形式，耕地約占全區(qū)面積的70%左右；過去分布的大面積鹽漬化土地，經(jīng)過實施挖渠降水、咸改鹽改治理已取得了顯著效果，鹽漬化危害基本消除，成為了高產(chǎn)良田；林地多分布在河流兩側(cè)、道路邊旁和村莊周圍，占地約為全區(qū)面積的3.3%；區(qū)內(nèi)河渠網(wǎng)度相對較大，灌溉條件優(yōu)越，對發(fā)揮和提高土地的使用功能起到了重要作用，水域面積約占全區(qū)面積的2.5%；近年來，隨著農(nóng)民種地積極性的不斷提高，土地墾殖力度也逐漸加大，草地面積迅速減少，果樹類經(jīng)濟樹木的栽植數(shù)量和東部地區(qū)相比面積較小，草地、園地兩者占地面積之和小于全區(qū)的3%。

區(qū)內(nèi)工礦企業(yè)較少，建設用地主要為城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村居住區(qū)和交通等基礎設施占地；居住區(qū)占地比率大約在13%～16%，隨著城市較快發(fā)展和居民居住條件的進一步改善，此項用地的份額將會不斷加大；鐵路、公路、高速公路等基礎設施的建設速度不斷加快，對帶動區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮了重要作用，但也占用了大面積的土地，現(xiàn)狀比率在3%左右，隨著煤田的開發(fā)建設，礦區(qū)鐵路、公路還將會占用大量的土地資源。區(qū)內(nèi)人口密度較大，人均土地資源占有量低于全國、全省平均水平，未開發(fā)利用的土地面積約在全區(qū)面積的2.2%以下。隨著巨野煤田的持續(xù)開發(fā)，采煤塌陷將使大量土地的使用功能受到嚴重影響。

3.2 地質(zhì)環(huán)境條件概述

巨野煤田處于華北板塊（Ⅰ）魯西地塊（Ⅱ）之魯西南潛隆起區(qū)（Ⅲ），在菏澤—兗州隆起（潛、斷）（Ⅳ）巨野—成武凹陷（潛）（Ⅴ）的中偏北部；是一個軸向大致南北，次級褶皺和斷裂較為發(fā)育的大型斷陷盆地。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較為復雜，顯著的構(gòu)造形跡以斷裂為主，并大致呈網(wǎng)格狀發(fā)育。

區(qū)域?qū)儆谌A北地層區(qū)之魯西地層分區(qū)，地層較為齊全，太古代、古生代、中生代和新生代地層均有分布，但分布特征受構(gòu)造的控制作用顯著。第四系和新近系松散巖層廣布全區(qū)，沉積厚度自東向西逐漸增大，全區(qū)平均沉積厚度大于500 m。

在漫長的地質(zhì)發(fā)展進程中，經(jīng)歷了一系列地殼運動，特別是燕山期的構(gòu)造運動，形成了復雜的起伏不平的構(gòu)造基底，進入喜山運動后，一直呈緩慢的不均勻沉降狀態(tài)，堆積了厚度較大的松散沉積物，在控制深度500 m以內(nèi)，一般發(fā)育有不同結(jié)構(gòu)的15～20層厚度不等的砂層，為地下水提供了賦存空間。此外，區(qū)內(nèi)地下水的賦存與分布明顯受到沉積物來源、古地理沉積環(huán)境及古氣候條件的制約，隨著各項因素的不斷演變，導致地下水環(huán)境在空間上出現(xiàn)分帶現(xiàn)象：平面上存在全淡水區(qū)、全咸水區(qū)和淡水、咸水混合區(qū)，垂向上地下水類型存在潛水和承壓水，水質(zhì)存在淡—咸—淡相互交替的多層結(jié)構(gòu)特征；富水性在平面和垂向上也存在較大的差異；水文地質(zhì)條件較為復雜。根據(jù)含水介質(zhì)的巖性結(jié)構(gòu)組合、埋藏條件、地下水的動態(tài)及水化學特征，自上而下可劃分為松散巖類淺層孔隙含水巖組、松散巖類中層孔隙含水巖組、松散巖類深層孔隙含水巖組、碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙含水巖組、碳酸鹽巖類巖溶含水巖組五種類型。

3.3 采煤塌陷預測

3.3.1 巨野煤田各礦井開采方式

巨野煤田各井田均為全隱蔽類型，均采用立井方式開拓，單一長壁式方法采煤，后退式開采，全部冒落法管理頂板。煤田開發(fā)主要針對3煤層開采，規(guī)劃開采區(qū)構(gòu)造程度中等，水文地質(zhì)條件較為簡單，區(qū)域性的邊界斷裂多具隔水性，開采3煤層的直接充水含水層富水性弱，礦井涌水量不大，頂、底板易管理，開采條件較好。

3.3.2 采空塌陷預測概述［2]

根據(jù)《菏澤市巨野煤田采煤塌陷預測與治理規(guī)劃報告》塌陷預測資料，整個塌陷區(qū)域按照塌陷深度可劃分為以下四個分區(qū)（表1）：

（1）塌陷深度小于1 m區(qū)域

分布在各井田開采區(qū)的邊緣地帶，呈條帶狀環(huán)繞在塌陷區(qū)周圍，面積131.49 k m2。該區(qū)采煤塌陷引起的地表變形不太明顯，對地面建筑物的影響程度較輕，一般不需修繕或僅需要進行小修即可正常使用，對土地資源和地貌景觀的影響程度也較小，基本能夠保持原來的功能。

（2）塌陷深度1～3 m區(qū)域

分布于塌陷深度大于3 m區(qū)域的外圍，面積178.69 k m2。煤層開采后引起的地表變形較為明顯，易對地面建筑物及設施造成中等程度的破壞，為保證建筑物安全需要對其進行一定程度的維修，對土地資源和地貌景觀的影響也較大，保持土地的正常耕種功能需要對其進行治理工作。

（3）塌陷深度3～4.5 m區(qū)域

分布于各井田主采區(qū)范圍內(nèi)，面積99.51 k m2。就分布位置來說，主要在鄆城井田的中南部、郭屯井田的西半部、趙樓井田的西部和南部、龍固井田的中北部以及萬福井田的南部地區(qū)。

（4）塌陷深度大于4.5 m區(qū)域

分布于采區(qū)煤層厚度大的地段，并位于塌陷深度3～4.5 m區(qū)域的中部，面積72.07 k m2。在個各個井田中，龍固井田采區(qū)的分布面積較大，并且連續(xù)性好，其它井田采區(qū)由于厚煤層分布的連續(xù)性差，分布區(qū)范圍多呈斷續(xù)狀或零星狀。

表1 巨野煤田塌陷預測分區(qū)面積一覽表Table 1 Prediction of subsidence zones in Juye coalfield

4 典型治理區(qū)采煤塌陷動態(tài)治理設計

4.1 典型治理區(qū)及田塊設計

依據(jù)巨野煤田地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀及特征，本次設定典型治理區(qū)為巨野煤田一井田采區(qū)范圍（圖2）。

圖2 典型治理區(qū)采煤塌陷動態(tài)治理設計Fig.2 Design of dynamic control over a subsidence area

在對典型治理區(qū)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀及特征充分研究的基礎上，對區(qū)內(nèi)進行田塊設計和土地平整規(guī)劃。耕作田塊大小的確定應綜合考慮地形起伏，田間工程難易程度以及是否便于耕用和排灌等方面的情況，方田的大小和形狀受田間渠系和道路的走向控制。規(guī)劃田塊長200～500 m，寬160～200 m，田塊坡降設計為1／400～1／500，田塊內(nèi)絕對高差控制在±5 cm以內(nèi)，方向以南北向為主。耕作田塊的設計必須保證排灌暢通，灌排調(diào)控方便，必須保持一定的田面坡度，設計縱向（灌水方向）坡降應小于1／500，橫向以水平為宜。為保證耕作田塊的土壤質(zhì)量及當年增產(chǎn)，平整時應盡量保留耕層熟土，保蓄底墑，打碎土塊，深耕細作。要重施有機肥，巧施速效肥，挖方部位的施肥至少應為填方部位的2倍，并加強田間管理。［3]

4.2 田面高程設計

4.2.1 現(xiàn)狀地面標高程

典型治理區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀地面標高范圍在40.5～43.8 m之間，開采前原始地面標高在43.5～44.6 m之間，區(qū)內(nèi)地面塌陷及變形較嚴重，具有整體沉降，局部集中塌陷的特點，因此恢復治理及土地平整應進行田塊劃分，根據(jù)不同地面特征確定相應的地面高程。

4.2.2 最低田面高程的確定

農(nóng)田田面高程設計應符合當?shù)貙嶋H及周邊田塊高程，并且與農(nóng)田水利工程設計相結(jié)合，既能確保農(nóng)田旱澇保收，又能使土方量最小。

農(nóng)田最低田面高程按下式計算：

式中，H為最低農(nóng)田田面高程，m；Hd為承泄區(qū)常年水位或強排區(qū)主排水溝經(jīng)常水位，并結(jié)合區(qū)內(nèi)多年最高淺層地下水水位特征綜合確定，m；li為各級排水溝道長度，m；ii為各級排水溝道坡降；hk為作物保持正常生長的地下水位臨界深度，m；一般應大于0.8 m，水田可略有降低，可大于0.4～0.6 m。

經(jīng)計算，典型治理區(qū)內(nèi)土地最低田面高程設計為42.50 m。

4.3 土地平整治理工程分區(qū)

根據(jù)擬恢復治理區(qū)內(nèi)地形現(xiàn)狀和塌陷特征，結(jié)合設計最低地面高程和治理工程措施特點，將區(qū)內(nèi)分為簡單平整區(qū)、削高填低平整區(qū)、充填墊淺區(qū)。

簡單平整區(qū)：對于地表塌陷深度較?。ㄋ葜担?.50 m），地面略顯凸凹不平，平均高程高于作物保持正常生長的地下水位臨界標高，其土層并未發(fā)生較大改變，土壤養(yǎng)分狀態(tài)無變化，無需進行充填墊淺治理，稍作簡單平整即可耕種，土地平整可直接用推土機推土或人工進行平整。

削高填低平整區(qū)：對于地表塌陷值0.5～1.5 m的區(qū)域。該區(qū)域地表不會產(chǎn)生積水現(xiàn)象，地塊保墑、保水、保肥效果變差，不便耕種，可采用挖高填低、推土整平的方法，可以通過推土機或鏟式拖運機直接在田塊內(nèi)進行平整。土地平整一般以新規(guī)劃田塊為單位進行，使整個治理田塊內(nèi)地面標高基本一致。該治理方法其他地區(qū)（兗州煤田等）多個礦區(qū)得到了普遍的應用，治理效果良好。土地平整時把握挖高填低、挖填平衡的原則，就近取土，就近填平，盡量減少土方移動距離。在土地整理的同時要對田間的道路系統(tǒng)和農(nóng)田水利灌溉設施進行配套整治，達到“道路暢通”、“旱時能灌、澇時能排”的目的。

充填墊淺區(qū)：對于一期工程治理區(qū)內(nèi)地表塌陷值＞1.5 m的區(qū)域。地表會產(chǎn)生積水或季節(jié)性積水，可能會無法正常耕種，按照其他礦區(qū)的經(jīng)驗，可以采取墊淺和充填的治理措施。充填墊高地區(qū)經(jīng)過平整和疏導排灌系統(tǒng)成為平地后可以繼續(xù)耕種。

4.4 充填墊淺動態(tài)治理區(qū)

4.4.1 田塊設計高程

區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀地形高程為40～42 m，地面高程大部分小于設計最低田面高程，地表塌陷值為大于1.5 m，地表變形較明顯，地面低洼處易形成季節(jié)性積水。根據(jù)規(guī)劃田塊地形特征和多年淺層地下水動態(tài)特征，區(qū)內(nèi)設計最低地面高程為42.50 m，平整后土地地面坡度一般不超過5°。

4.4.2 充填物質(zhì)來源及挖深區(qū)

挖深造塘與充填墊淺是將造地與挖塘相結(jié)合，即用挖掘機將塌陷深的區(qū)域繼續(xù)挖深，形成水塘，取出的土方充填至塌陷淺的區(qū)域，對其平整恢復為耕地，使治理后的土地達到適宜耕種的最低高程。

其挖深區(qū)充填物分布于治理區(qū)以外的擬塌陷積水區(qū)及附近地區(qū)，待挖深區(qū)及附近地區(qū)塌陷趨于穩(wěn)定后，再考慮規(guī)劃治理。

4.4.3 施工工藝

將“挖深區(qū)”分成若干塊段多臺機械同時進行挖掘回填，施工設備采用中小型拖式鏟運機、挖掘機聯(lián)合四輪翻斗或卡車；為保證治理后的土地質(zhì)量，剝離回填前需將“挖深區(qū)”和“墊淺區(qū)”的熟土層剝離堆起來，待回填到一定高度后，再將熟土回填其上面，使“墊淺區(qū)”達到設計標高。然后用農(nóng)用耕細耙機進行松土整理，對治理區(qū)培肥后即可種植。為了保證施工機械在無積水條件下正常作業(yè)，需要打簡易井進行降水，施工時首先需在擬挖漁塘四周打井排水，即在設計挖深區(qū)范圍內(nèi)開挖前打井抽排水，水井可每間隔50 m布置一個，井深應控制在潛水范圍內(nèi)，不得穿透承壓含水層。

4.4.4 挖深區(qū)范圍及土方平衡分析

（1）挖深區(qū)范圍及土方量估算

根據(jù)治理區(qū)地質(zhì)環(huán)境特征和地形地貌特點，并結(jié)合典型治理區(qū)采煤塌陷動態(tài)治理特點，確定挖深區(qū)為擬塌陷的季節(jié)積水和常年積水區(qū)范圍（圖3）。

挖深區(qū)范圍確定的原則：依據(jù)典型治理區(qū)內(nèi)煤層全部開采后預測地面塌陷值大于3～4 m的范圍。根據(jù)治理區(qū)范圍，劃分為西部挖深區(qū)和東部挖深區(qū)。按照平均挖深1.3 m進行估算，西部挖深區(qū)挖方土方量為112.18×104m3，東部挖深區(qū)挖土方量為110.02×104m3，挖深區(qū)總挖方量為222.21×104m3。

（2）土方工程量平衡分析

根據(jù)典型治理區(qū)實際情況，充填墊淺田塊需土方190.53×104m3，經(jīng)挖深區(qū)土方量工程估算，挖深總土方量222.21×104m3，挖出的土充填田塊后，尚剩余31.68×104m3，約占挖方量的14.25%，剩余部分作為田間路路基充填或動態(tài)治理備用土方資源。因此挖深區(qū)土方量可滿足充填墊淺田塊區(qū)內(nèi)的充填土方量，土方工程量基本保持平衡。

5 采煤塌陷動態(tài)治理設計與實施可行性探討

5.1 加強治理區(qū)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀和塌陷預測的研究

為實現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境保護與恢復的動態(tài)治理，治理設計前應對治理區(qū)內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀、采煤塌陷現(xiàn)狀、工作面布局和開采方案、全部煤層開采后地面塌陷預測、基于開采現(xiàn)狀和塌陷現(xiàn)狀基礎上與預測塌陷值的對比研究等各方面因素進行分析研究，以確定動態(tài)治理方案，對采煤塌陷治理區(qū)進行土地平整工程分區(qū)。

5.2 加強治理區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測

礦山地質(zhì)環(huán)境恢復治理采煤塌陷動態(tài)治理成功的前提是需要加強地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測，特別是對治理區(qū)內(nèi)地面變形及塌陷監(jiān)測和地下水位、水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測。治理前和治理后，地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測資料和數(shù)據(jù)是采煤塌陷動態(tài)治理和設計的直接依據(jù)。由于采煤塌陷動態(tài)治理是建立在地下煤炭未完全開采，地面塌陷未達到完全穩(wěn)沉的基礎上實施的，因此加強治理區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測是必須的。對于發(fā)現(xiàn)地面塌陷或地質(zhì)環(huán)境發(fā)生異常的地段，礦山企業(yè)應及時對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行核實，對監(jiān)測現(xiàn)場進行踏勘，并提出解決方案和措施。

5.3 優(yōu)化工程部署的設計

根據(jù)典型治理區(qū)內(nèi)采煤塌陷現(xiàn)狀和預測特征，對區(qū)內(nèi)田塊規(guī)劃和土地平整工程、規(guī)劃田間道和生產(chǎn)道工程、農(nóng)田灌溉和排水工程、地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工程等的部署進行優(yōu)化，對塌陷區(qū)進行塌陷穩(wěn)沉分析和分區(qū)，可分為穩(wěn)沉區(qū)、一般穩(wěn)沉區(qū)和未穩(wěn)沉區(qū)。田間道和重要灌溉排水工程易布置在穩(wěn)沉區(qū)和一般穩(wěn)沉區(qū)，應避免設置在未穩(wěn)沉區(qū)。未穩(wěn)沉區(qū)確需布設田間道和生產(chǎn)道、灌溉排水工程的，可設置臨時性一般工程。盡量做到恢復治理實用和經(jīng)濟可行，避免因塌陷造成二次重復治理。

5.4 建議礦山企業(yè)開展采煤塌陷動態(tài)治理研究

《礦山地質(zhì)環(huán)境保護規(guī)定》中提出“對于礦山地質(zhì)環(huán)境保護，堅持預防為主、防治結(jié)合，誰開發(fā)誰保護、誰破壞誰治理、誰投資誰受益的原則?！钡V山地質(zhì)環(huán)境恢復治理其社會屬性是一項公益性地質(zhì)環(huán)境保護工作，同時對礦山企業(yè)來講治理后的土地資源也會創(chuàng)造非?？捎^的經(jīng)濟效益。對于魯西南平原地區(qū)巨厚松散層下煤礦的開采，所造成的地質(zhì)環(huán)境破壞具有持續(xù)性，持久性。特別是采煤塌陷所形成的大面積的季節(jié)積水區(qū)和常年積水區(qū)，造成了大面積的土地和耕地資源消失和破壞。采煤塌陷動態(tài)治理的實施，將有利用減少土地損失，避免土地資源閑置和浪費，從而提高土地資源利用率，實現(xiàn)土地經(jīng)濟價值和社會環(huán)境價值最大化。因此，建議礦山企業(yè)針對所屬礦區(qū)開展礦山地質(zhì)環(huán)境恢復治理采煤塌陷動態(tài)治理的研究工作。例如，加強地面塌陷監(jiān)測和地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測的研究，加強煤炭資源開采與采煤塌陷形成機理和演化過程的研究等。

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